Effect of microstructure, deformation mode and rate on mechanical behaviour of electron-beam melted Ti-6Al-4V and Ti-1.5Al-6.8Mo-4.5Fe alloys

Two commercial costefficient titanium alloys—a lowalloyed α+βti–6Al–4V (mas.%) and a metastable βalloy ti–1.5Al–6.8Mo–4.5Fe melted with a single electronbeam cold hearth melting approach—are employed in a present study as program materials. the influence of microstructure formed by means of the subsequent thermomechanical and heat treatments on both the mechanical behaviour (evaluated by the deformation energy, UD) when tested using standard methods with different deformation rates and the ballistic resistance of plate materials is investigated.На прикладі двох промислових економно леґованих титанових стопів, — малолеґованого α + β-стопу ti–6Al–4V (мас.%) і метастабільного βстопу ti–1,5Al–6,8Mo–4,5Fe, — виготовлених одноразовим електроннопроменевим топленням з проміжною ємністю, вивчено вплив формованої за подальших (термомеханічного та термічного) оброблянь мікроструктури на механічну поведінку (виражену через енергію деформації UD) при випробуваннях з різними швидкостями деформації та балістичну стійкість.На примере двух промышленных экономно легированных титановых сплавов, — малолегированного α + βсплава Тi–6Al–4V (масс.%) и метастабильного βсплава ti–1,5Al–6,8Mo–4,5Fe, — приготовленных однократной электроннолучевой плавкой с промежуточной ёмкостью, изучено влияние формируемой при последующих (термомеханической и термической) обработках микроструктуры на механическое поведение (выраженное через энергию деформации UD) при ис пы таниях с разными скоростями деформации и баллистическую стойкость

Особливості структуроутворення при спіканні порошкових сумішей системи TiH2+TiВ2

The investigation results on peculiarities of phase and structure formation as well as sintering kinetic of compacted TiH2 - TiВ2 powder blends. It was shown, the most intensive shrinkage upon heating took place within temperature range of TiH2 dehydrogenation (400 ÷ 650 0С). Heating of powder blend up to sintering temperature (1350 0С) resulted in formation of acicular TiB particles in titanium matrix, the amount of particles is increased with increase in exposure to 20 min. The longer duration of isothermal exposure did not lead to increase in amount and size growing of TiB particles. X-ray analysis of sintered TiН2+TiВ2 powder blend demonstrated the presence of titanium matrix phase, orthorhombic TiВ phase, and traces of Ti-B compounds of different concentrations (Ті3В4 and Ті2В5). The dilatometric investigations proved that addition of boride compounds and increase in boride content in powder blend led to decrease in shrinkage upon sintering as compared to shrinkage of single TiH2 powder compacts.В роботі наведені результати досліджень особливостей фазо- та структуроутворення та кінетики спікання пресовок з порошкових сумішей системи TiH2 - TiВ2. Показано, що найбільш інтенсивна усадка при нагріві відбувається в температурному інтервалі дегідрування TiH2 (400 ÷ 650 0С). Нагрів порошкової суміші до температури спікання (1350 0С) призводить до утворення в титановій матриці голкоподібних частинок монобориду титану, вміст яких в структурі підвищується із збільшенням часу витримки до 20 хв. При подальшому збільшенні часу ізотермічної витримки кількість голок монобориду титану залишається практично сталою без помітної зміни їх розмірів. Рентгенофазовий аналіз спечених зразків із суміші TiН2+TiВ2 вказує на наявність у сплаві основної матричної фази титану, ліній фази TiВ з орторомбічною граткою, та слідів сполук титану з бором іншої концентрації (Ті3В4 та Ті2В5). Результати дилатометричних досліджень показали, що введення в склад шихти боридних сполук та збільшення їх вмісту в шихті призводить до помітного зменшення усадки в процесі спікання по відношенню до усадки пресовок із порошку гідриду титану без боридних фаз

Microstructure and properties of titanium-based materials promising for antiballistic protection

Titanium-based materials, which combine high strength and hardness of surface layer along with sufficient ductile characteristics of the matrix metal, are very promising for various applications, particularly, as armoured components in military-industrial complex. Above-mentioned combination of properties can be achieved by means of the creation of multilayer structures, which consist of layers possessing different physical and mechanical properties. In the present study, microstructure peculiarities, mechanical and antiballistic protection properties of the layered Tibased materials are investigated. Two different ways were used for fabrication of such the layered structures.Титанові матеріaли, які поєднують високу міцність і твердість поверхні при достатніх пластичних характеристиках основного металу, є перспективними для використання в різних галузях техніки, зокрема, в якості бронеелементів у військово-промисловому комплексі. Одержати вищевказану комбінацію властивостей можливо, створюючи матеріaли, які складаються з декількох шарів, що відрізняються за своїми фізико-механічними характеристиками. В роботі досліджено особливості мікроструктури, механічних характеристик і балістичної стійкості таких матеріaлів, створених за двома підходами.Титановые материалы, которые совмещают высокую прочность и твёрдость поверхности при достаточных пластических характеристиках основного металла, являются перспективными для использования в различных областях техники, в частности, как бронеэлементы в военно-промышленном комплексе. Достичь такой комбинации свойств возможно, создавая материалы, состоящие из нескольких слоёв, которые отличаются по своим физико-механическим характеристикам. В работе исследованы особенности микроструктуры и механических характеристик таких материалов, созданных двумя путями

Diffusion bonding of TiC or TiB reinforced Ti–6Al–4V matrix composites to conventional Ti–6Al–4V alloy

The diffusion bonding of conventional alloy Ti–6Al–4V (Ti-64) and composites of this alloy with 10% of TiC or TiB fabricated using blended elemental powder metallurgy was successfully carried out at 850–1000°C, with a holding time of 60 min under 0.7–1.5 MPa pressure. The metallographic and electron backscattered diffraction studies as well as the bending and microhardness tests across the bonds are presented as the evidence of joint integrity. The selected experimental parameters do not cause undesirable structural changes (degradation) in the base metals adjacent to the bond interface. Particle reinforcement at ∼10% did not appear to modify bonding parameters when compared to the unreinforced Ti-64 alloy

Layered Structures of Ti-6Al-4V Alloy and Metal Matrix Composites on Its Base Joint by Diffusion Bonding and Friction Welding

Metallic layered structures demonstrate an advanced set of characteristics that combine different properties not found within homogenous bulk materials. Powder metallurgy (PM) is proven to be the most efficient way of fabrication of layered structures, including highly rated structures of Ti alloys. Residual porosity, however, remains one of the biggest problems of titanium-based PM products and this can adversely affect the mechanical properties and performance of the structural parts. Post-sintering hot deformation is a common way to control the porosity of metallic materials. Traditional thermomechanical processing like hot rolling, however, could not be applied on multi-layered structures due to the disparity of the different layers’ plastic flow. Separate processing of high performance individual layers to reach their best parameters, followed by post processing bonding of the mating subcomponents is a credible pathway for fabrication of the layered materials with highly optimized properties of each individual layer. In this study we used diffusion bonding (DB) and friction welding to join the parts made of Ti-6Al-4V alloy and metal matrix composites on the base of this alloy reinforced with 10% of either TiB or TiC. Parts were fabricated using blended elemental PM. Different protocols were used to join the materials: DB welding via rotational friction (RFW) and linear friction (LFW) as well as different geometries of mating subcomponents were tested. Structure characterization of the joints using light optical microscopy, SEM, EDS, EBSD as well as mechanical tests were performed. All used protocols were generally successful in bonding the parts made of Ti-64 alloy and composites on its base. The potential of DB, RFW and LFW of Ti-6Al-4V alloy and its MMC are discussed

The effect of ageing on microstructure and mechanical properties of powder Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe alloy

The thermo-mechanically processed powder Ti-5Al-5V-5Mo-1Cr-1Fe alloy was aged at 9.23 K for 1-8 h in order to investigate the effect of ageing time on the microstructure-mechanical properties relationships. The microstructures of the alloy after ageing cosist of the both primary and secondary alpha phases with retained B matrix phase. The shift of B peaks in X-ray pattern with ageing time indicates an increase in lattice parameter distorition due to diffusion into the retained B phase of more B stabilisers with smaller atomic radius compared to the elemental Ti. The tensile test results indicate that the sample aged for 1 h has achieved the best combination of mechanical properties with ultimate tensile strength of 1194 MPa and total elongation of 14/1% among all the experimented conditioins. The modified Crussard-Jaoul method is applied to characterise the work hardening behaviour of the alloy

Evolution of Phase Composition and Microstructure upon Synthesis of Zr—Sn Alloy from Zirconium Hydride and Tin Powders

Microstructure and density evolution as well as thermal effects are investigated upon synthesis of Zr—1.5% Sn alloy from powder blends of zirconium-hydride and tin particles. Melting of tin particles at the initial stage of heating results in increased porosity, but does not accelerate chemical homogenization of powder system. Formation of solid intermetallics is accelerated at increased temperatures of 550—800°C due to hydrogen desorption and activation of zirconium matrix. Solid-state homogenization and sintering processes at higher temperatures produce homogeneous tin solution in zirconium. Particle sizes, temperature and time of sintering provide formation of low-porous (with relative density of more than 97%) chemically and microstructurally homogeneous material. Mechanical properties of fabricated alloy are at the level of properties of corresponding material produced with conventional ingot technology.Досліджено еволюцію мікроструктури, густини та термічні ефекти в ході формування стопу Zr—1.5% Sn з порошкових сумішей частинок гідриду Цирконію та цини. Топлення частинок цини на початкових стадіях нагрівання збільшує пористість у порошковій системі, не завдавши помітного розвитку хемічній гомогенізації, але за підвищення температури до 550—800°C прискорюється процес формування твердих інтерметалідних фаз, в тому числі завдяки десорбції Гідроґену з гідриду й активації цирконійової матриці. За високих температур гомогенізація та спікання частинок відбуваються твердофазним шляхом з формуванням однорідного твердого розчину Стануму в цирконії. Використані в роботі розміри порошкових частинок та температурно-часові параметри нагрівання уможливлюють одержати малопоруватий (з відносною густиною більше 97%) хемічно й мікроструктурно однорідний стоп з механічними характеристиками на рівні характеристик даного матеріялу, одержаного методою лиття та гарячого деформування.Исследована эволюция микроструктуры, плотности и термические эффекты в процессе формирования сплава Zr—1.5% Sn из порошковых смесей частиц гидрида циркония и олова. Плавление частиц олова на начальных стадиях нагрева увеличивает пористость в порошковой системе, не приводя к заметному развитию химической гомогенизации, но при повышении температуры до 550—800°C ускоряется процесс формирования твёрдых интерметаллидных фаз, в том числе благодаря десорбции водорода из гидрида и активации циркониевой матрицы. При высоких температурах гомогенизация и спекание частиц происходит твердофазным путём с формированием однородного твёрдого раствора олова в цирконии. Использованные в работе размеры порошковых частиц и температурно-временные параметры нагрева позволяют получить малопористый (с относительной плотностью более 97%) химически и микроструктурно однородный сплав с механическими характеристиками на уровне характеристик данного материала, полученного методом литья и горячей деформации

The effect of cooling rates on the microstructure and mechanical properties of thermo-mechanically processed Ti-Al-Mo-V-Cr-Fe alloys

Two near-β titanium alloys, Ti–5Al–5Mo–5V–1Cr–1Fe and a modified one containing 2 wt% Cr (Ti–5Al–5Mo–5V–2Cr–1Fe) were produced from Ti hydride precursor powders via the cost-effective blended elemental powder metallurgy technique. The effects of two cooling rates (10 K s−1 and 1 K s−1) during thermo-mechanical processing on the microstructure and mechanical properties were investigated using X-ray diffraction and scanning electron microscopy. X-ray line profile analysis revealed that dislocation densities and microstrain in β-Ti phase are higher than in α-Ti phase for all cases. In both alloys, slower cooling results in an increase in α volume fraction and promotes morphology of continuous grain boundary α phase. A lower total elongation is obtained in both alloys under slower cooling which could be accounted for by the continuous morphology of α phase. Overall, Ti–5Al–5Mo–5V–1Cr–1Fe displays higher ultimate tensile strength and total elongation compared to Ti–5Al–5Mo–5V–2Cr–1Fe, regardless of the cooling rate

Microstructure development and alloying elements diffusion during sintering of near-beta titanium alloys

Two near-beta alloys, Ti-5Al-5Mo-5V-2Cr-1Fe and Ti-10V-3Fe-3Al, were produced by the blended element powder metallurgy technique. The use of (i) elemental powders with the Al-V master alloy in the case of Ti-5Al-5Mo-5V-2Cr-1 Fe and, (ii) the complex Al-Fe-V master alloy in Ti-10V-3Fe-3Al has highlighted the influence of different alloying elements and their combination on microstructure evolution and chemical homogenisation. While Fe has the fastest diffusivity in Ti and its addition improves the density of both sintered alloys it also results in accelerated rates of grain coarsening. The combination of Al and V in the master alloy powder inhibits the diffusion of V into the Ti matrix. The unexpectedly slow diffusion of Cr at the early sintering stage in Ti-5Al-5Mo-5V-2Cr-1Fe was attributed to the formation of surface oxides on the Cr powders

Microstructure and Properties of 3D Ti-6Al-4V Articles Produced with Advanced Co-axial Electron Beam & Wire Additive Manufacturing Technology

Ti-6Al-4V articles were produced with advanced additive manufacturing technology of Direct Energy Deposition (DED) type using profile electron beam and wire as feedstock material. The key distinctive feature of this additive manufacturing process is the applying of the hollow conical electron beam generated by low-voltage (<20kV) gas-discharge EB gun for heating and melting of the substrate and co-axially fed wire. Such configuration ensures precisely controllable liquid metal transfer from the wire end to the substrate, specific temperature gradients at the fusion area and heat flow from liquid metal pool. Such conditions of heating, melting and cooling during 3D manufacturing processing provide the ability for controllable microstructure formation, including grain size and material texture. Influence of processing parameters and cooling conditions on crystallization, grain formation and intragrain structure of solidified material is discussed. Optimization of processing parameters allowed production of 3D Ti-6Al- 4V articles with isotropic microstructure and mechanical properties which met standard requirements for Ti-6Al-4V alloy